Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, wobei die Werkstücke der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden, dem eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Gaskomponente(n) während dessen Einwirkung auf die Werkstücke pulsierend zugegeben wird (werden).

[0002] Ein derartiges Verfahren ist in der EP-A-49 530 beschrieben. Durch das pulsierende Zugeben der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente wird bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art ein großes Kohlenstoffpotentialgefälle erreicht. Pulsierendes Zugeben einer kohlenstoffhaltigen Gaskomponente bedeutet, diese während zahlreicher, sich aus zwei verschiedenen Phasen zusammensetzenden Zyklen dem Gasgemisch zuzugeben. In der ersten Phase eines Zyklus wird das kohlenstoffhaltige Gas pulsartig dem Gasgemisch zugemischt und das Kohlenstoffpotential der Gasatmosphäre auf ein bestimmtes Niveau gehoben. In der zweiten Phase wird die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Gas unterbrochen, das heißt, dem Gasgemisch wird ein kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt. Dadurch sinkt das Kohlenstoffpotential der Gasatmosphäre.

[0003] Bei dieser Verfahrensweise wird das Werkstück in einer sehr dünnen Schicht stark überkohlt. Die in der zweiten Phase sich anschließende Diffusion verläuft nun sehr rasch und schafft in der Randschicht des Werkstückes neue Aufnahmekapazität für Kohlenstoff.

[0004] Durch pulsierende Zugabe von kohlenstoffhaltigen Gaskomponenten wird ein hoher, gleichmäßiger Kohlenstoffeintrag bis über die Sättigung hinaus möglich. Bei dieser Art des Einsatzhärtens bilden sich Karbide, die sich zu einem gewissen Teil während der zweiten Phase eines Zyklus auflösen. Eine vollständige Auflösung der sehr stabilen Karbidverbindungen war bisher innerhalb eines Zyklus jedoch nicht möglich.

[0005] Insbesondere diese Tatsache verhinderte die Anwendung des bekannten Verfahrens in einem Durchstoßofen, den die Werkstücke (Chargen) in mehreren, zeitlich konstanten Takten durchlaufen.

[0006] Durch die DE-C-618 026 ist ein Verfahren zum Zementieren von Eisen und Stahl bekannt, bei dem die Zufuhr des Zementationsmittels von Zeit zu Zeit unterbrochen wird. Die Unterbrechung erfolgt, wenn sich das Eindringen des Zementationsmittels in das Werkstück verlangsamt.

[0007] Gegenstand der DE-A-2 851 982 ist ein Verfahren zum Steuern von Aufkohlungsprozessen im Unterdruckbereich. Das Abpumpen und Erneuern eines kohlenstoffhaltigen Gases erfolgt dabei, wenn ein bestimmter Zerfall.5grad des Gases erreicht ist.

[0008] Durch die DE-C-726 134 ist ein Verfahren zum Aufkohlen von metallischen Werkstücken bekannt. Dabei wird dem Ofeninnenraum eine bestimmte Gasatmosphäre zugeführt. In der Gasatmosphäre im Ofeninnenraum werden Druckschwankungen hervorgerufen. Zu diesem Zweck wird eine größere Menge an Gas in den Ofeninnenraum eingeleitet, so daß der Druck abrupt ansteigt. Ober Öffnungen im Ofen entweicht Gas, so daß der Druck im Innenraum innerhalb einiger Minuten auf den Ausgangsdruck sinkt.

[0009] Schließlich ist in der EP-A-49 531 ein Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke beschrieben, bei dem Werkstücke in einem Ofen bei hohen Temperaturen der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt und im Gasgemisch Druckschwankungen mit einer im Vergleich zur Dauer der Wärmebehandlung wesentlich kürzeren Periode erzeugt werden.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem Werkstücke gleichmäßig aufgekohlt bzw. karbonitriert werden können, wobei gebildete Karbide weitgehend entfernt werden.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindunsgemäß dadurch gelöst, daß die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) nach mehreren der sich jeweils aus einer Phase der pulsartigen Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas und einer darauf folgenden Phase ohne Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas zusammensetzenden Zyklen unterbrochen und erst nach Ablauf einer Pause, die um einen Faktor 10 bis 100 länger als ein Zyklus dauert, wieder aufgenommen wird.

[0012] Erfindungsgemäß wird der Aufkohlungs- bzw. Karbonitrierungsprozeß nicht mehr ausschließlich in aus zwei Phasen bestehenden Zyklen unterteilt. Vielmehr setzt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatzhärten aus mehreren Intervallen zusammen, die jeweils aus mehreren Zyklen mit anschließender Pause bestehen. Unter Zyklus ist - wie beim bekannten Verfahren - die kurzzeitige Zugabe eines Kohlenwasserstoffs zum Gasgemisch mit anschließender Unterbrechung der Kohlenwasserstoffzufuhr zu verstehen.

[0013] Beim herkömmlichen Verfahren sinkt das Kohlenstoffpotential während des Einsatzhärte-Prozesses nie auf Null ab. Dabei wird durch die pulsierende Zugabe der Kohlenwasserstoffe ein Überschreiten der Rußgrenze vermieden. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Dauer der Phase, in der während eines Zyklus kein Kohlenwasserstoff dem Gasgemisch zugegeben wird, für eine optimale Diffusion und eine Auflösung der sehr stabilen Karbidverbindungen nicht ausreicht.

[0014] Durch die sehr große Reaktivität der aufgespaltenen Kohlenwasserstoffe ist der eigentliche Aufkohlungsprozeß äußerst kurz gegenüber den Diffusionsphasen. Ihre Länge hängt ab von der aktuellen Aufkohlungstiefe. Je größer diese wird, desto langsamer diffundiert der neueingebrachte Kohlenstoff nach innen. Erfindungsgemäß wird nun - wie beim bekannten Verfahren - zu Beginn eines Intervalls ein sehr hohes Kohlenstoffpotential erreicht. Nach mehreren Zyklen wird jedoch eine Pause eingelegt, die im Vergleich zur Dauer eines Zyklus lang ist.

[0015] Während dieser Pause sinkt die Kohlenstoffkonzentration im Randbereich der Werkstücke in jedem Intervall ab. Zu Beginn des nächsten Intervalls ist daher der Gradient des Kohlenstoffgehaltes und damit der Kohlenstoffübergang im Werkstück sehr hoch. Die in einem Zyklus zugeführte Menge kohlenstoffhaltigen Gases bzw. die Zahl der Zyklen wird so gewählt, daß die Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Gases abgestellt wird, sobald in der Randschicht der Werkstücke eine Sättigung mit Kohlenstoff erreicht ist. Die gesamte Aufkohlungszeit setzt sich zusammen aus den Zeitabschnitten, in denen Kohlenstoff in das Werkstück eingetragen wird und den Zeitabschnitten, in denen der Kohlenstoff im Werkstück diffundiert. Erfindungsgemäß ist die Dauer des Kohlenstoffeintrags wesentlich geringer als die der Diffusion.

[0016] Es wurde festgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren während eines Intervalls eine Auflösung der sehr stabilen karbide bewirkt, so daß eine hervorragende, randoxidationsfreie Oberflächenqualität der Werkstücke erzielt wird. Aufgrund dieses Merkmals kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei Durchstoßöfen Anwendung finden.

[0017] Weiterhin wurde gefunden, daß im Vergleich zum bekannten Verfahren eine wesentlich geringere Zahl an Zyklen ausreicht, um die gleiche Einhärtetiefe zu erzielen. Außerdem liegt der durchschnittliche Verbrauch an kohlenstoffhaltigem Gas, beispielsweise Propan, niedriger, als beim bekannten Verfahren.

[0018] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens, bei dem dem Gasgemisch Stickstoff zugeführt wird, wird die pro Zeiteinheit zugeführte Stickstoffmenge für die Dauer der pulsierenden Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) erhöht.

[0019] In dieser Variante wird der Ofen, in dem die Werkstücke behandelt werden, ständig mit Stickstoff begast, um im Ofenraum eine inerte Grundgasatmosphäre zu gewährleisten.

[0020] Bei Erreichen der gewählten Aufkohlungstemperatur wird für die Dauer der pulsierenden Kohlenwasserstoffzugabe die Stickstoffmenge erhöht, um die Konzentration der Kohlenwasserstoffradikale nicht zu groß werden zu lassen. Andernfalls würden sie untereinander reagieren und Ruß bilden und nicht mehr zur Aufkohlung beitragen.

[0021] Nach einem Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders wirtschaftlich, wenn die Pause um einen Faktor 10 bis 100 länger als die Vorangegangenen Zyklen dauert.

[0022] In dieser Variante werden Karbidverbindungen nach wie vor weitgehend beseitigt, die Dauer des Einsatzhärte-Prozesses ist jedoch minimal.

[0023] Der Diffusionsvorgang erfolgt wegen des geringer werdenden Kohlenstoffpotentialgefälles mit zunehmender Aufkohlungstiefe langsamer. Mit Vorteil werden daher die Pausen mit zunehmender Dauer des Aufkohlungsvorganges verlängert.

[0024] Eine besonders einfache Regelung ist beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, wenn nach einer vorteilhaften Variante die Dauer der Zyklen während des Einsatzhärtens konstant gehalten wird. Das kohlenstoffhaltige Gas wird folglich in konstanten Zeitabständen pulsartig in den Ofenraum gegeben.

[0025] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Gasatmosphäre ausschließlich aus einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, und einem kohlenstoffhaltigen Gas, insbesondere Propan, gebildet.

[0026] Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden.

[0027] Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anlage, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,

Figur 2 den zeitlichen Verlauf des Kohlenstoffgehaltes im Aufkohlungsgas.

[0028] Ein Glühofen 1 ist über eine Leitung 2 mit einem Rußsensor 3 und einer Regeleinheit 4 verbunden. Erfindungsgemäß werden nun die Gaskomponenten Stickstoff und ein Kohlenwasserstoff, im Ausführungsbeispiel Propan, in den Glühofen 1 eingeleitet. Hierzu dienen Zuführleitungen 5 (Stickstoff) und 6 (Propan). Durch Ventile 7,8,9, 10 und 11 wird die Zugabe von Stickstoff und Propan, die geeigneten Tanks, in denen diese Komponenten flüssig gespeichert werden, entnommen wurden, gesteuert. Stickstoff und Propan werden vor dem Eintritt in den Glühofen 1 vermischt und über eine Leitung 12 in den Ofen geleitet. Beim Einfahren der Charge in den Ofenraum ist Ventil 9 in einer Leitung 13 geöffnet, während Ventile 7 und 10 geschlossen sind. Die Ofenatmosphäre besteht zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen aus Stickstoff. Der Aufkohlungs- bzw. Karbonitrierungsvorgang beginnt, sobald eine geeignete Temperatur von ca. 800 bis 1000°C im Ofen erreicht worden ist. Um die Werkstücke im Ofenraum einem Gasgemisch mit einem hohen Kohlenstoffpotential auszusetzen, wird erfindungsgemäß Magnetventil 10 geöffnet. Ventil 10 wird von der Regeleinheit 4 in zeitlich konstanten Abständen geöffnet und geschlossen. Erfindungsgemäß wird während des Einsatzhärtens stets eine bestimmte Menge Stickstoff pro Zeiteinheit in den Ofen geleitet. Während der Phasen, in denen Propan kurzzeitig in den Ofen eingespeist wird, wird die zugeführte Stickstoffmenge erhöht um die Konzentration der Kohlenwasserstoffradikale nicht zu groß werden zu lassen. Andernfalls würden die Radikale untereinander reagieren und Ruß bilden. Zu diesem Zweck wird Magnetventil 7 in einer Bypaßleitung 14 von der Regeleinheit 4 geöffnet. Das Propan ist bei den hohen im Glühofeninnenraum herrschenden Temperaturen instabil und zerfällt spontan. Die Spaltprodukte sind sehr reaktionsfreudig und ermgölichen eine rasch ablaufende Sättigung der Werkstückrandschicht mit Kohlenstoff. Wegen des daraus resultierenden erheblichen Kohlenstoffpotentialgefälles zwischen Werkstückoberfläche und Kern diffundiert der Kohlenstoff rasch in die Randschicht der Werkstücke.

[0029] Im Gasgemisch kann nun Ruß gebildet werden. Vor Erreichen eines minimalen Rußwertes wird die Propanmenge reduziert. Der vom Sensor 3 ermittelte Werte wird an die Regeleinheit 4 geleitet, in der der Meßwert mit einem vorgegebenen Sollwertsignal verglichen wird. Eine Differenz zwischen Meßwert- und Sollwertsignal wird in ein Signal umgesetzt, durch das ein Regelventil 11 in der Zufuhrleitung 6 für Propan gesteuert wird.

[0030] Beim Überschreiten des dem Sollwert entsprechenden Rußwertes wird die Propanmenge durch Regelventil 11 soweit vermindert, bis Ist- und Sollwert wieder übereinstimmen.

[0031] Nach mehreren Zyklen, in denen in einer ersten Phase kurzzeitig Propan in den Ofen geleitet bzw. in einer zweiten Phase die Propanzufuhr unterbrochen worden ist, wird Ventil 10 - ausgelöst durch Regeleinheit 4 - für eine Pause, die länger dauert als die vorangegangenen Zyklen, geschlossen und nur Stickstoff über Leitung 13 mit Ventil 9 in den Ofen geleitet. In dieser Pause sinkt die Kohlenstoffkonzentration im Randbereich des Werkstückes wieder ab, so daß bei Beginn des sich aus mehreren Zyklen mit anschließender Pause zusammensetzenden Intervalls der Gradient und damit der Kohlenstoffübergang ins Werkstück hoch ist. In den Pausen diffundiert der Kohlenstoff nicht nur in das Werkstück, sondern es werden auch die unerwünschten Karbide auf der Werkstückoberfläche rückgelöst und entfernt.

[0032] Nach mehreren Intervallen werden die Ventile 7 und 10 geschlossen und die Werkstücke auf Härtetemperatur abgesenkt.

[0033] In Figur 2 ist nun der Kohlenstoffgehalt im Gasgemisch (z.B. in Vol.%) gegen die Zeit (in Sekunden) schematisch dargestellt.

[0034] Im wesentlichen ist ein Intervall des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, das vom Zeitnullpunkt bis zum Zeitpunkt T' dauert. Zu Beginn des Intervalls wird der Kohlenstoffgehalt des Gasgemisches in mehreren Zyklen, die jeweils die Zeitspanne t dauern, kurzzeitig angehoben. Ein Zyklus setzt sich aus der Phase I (Dauert_e) und der Phase 11 (Dauer t₂) zusammen. Wie bereits geschildert, wird in Phase I Propan impulsartig dem Gasgemisch zugegeben, während in Phase 11 kein Propan dem Gasgemisch zugegeben wird. In Phase I steigt, in Phase 11 sinkt daher der Kohlenstoffgehalt. Während der Zyklen sinkt der Kohlenstoffgehalt jedoch nicht auf 0. Erst in der sich an mehrere Zyklen (in der Skizze sind lediglich die ersten Vier Zyklen im ersten Intervall dargestellt) anschließenden Pause (Dauer T), in der kein Propan dem Ofen zugeleitet wird, sinkt der Kohlenstoffgehalt auf 0.

[0035] Ein typisches Intervall enthält beispielsweise bis zu 15 Zyklen. Die Zugabeperioden hängen vom Ofenvolumen und der Ofendichtigkeit ab. Phase I dauert beispielsweise 5 bis 15 sec., Phase 11 dagegen 15 bis 60 sec. An mehrere Zyklen (beispielsweise 10 mit Gesamtdauer 5 Minuten) schließt sich eine pause von z.B. T - 30 Minuten an, so daß ein Intervall etwa 35 Minuten dauert. Bei gleicher Einhärtetiefe reduziert sich die Zahl der Zyklen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum bekannten Verfahren ca. um einen Faktor 3.

[0036] Zusammenfassend ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein rasches Einsatzhärten von Werkstücken bei geringem Verbrauch an Kohlenstoffträger ermöglicht. Da gebildete Karbide durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise rückgelöst werden, können auch Durchstoßöfen bei diesem Verfahren eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, wobei die Werkstücke der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden, dem eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Gaskomponente(n) während dessen Einwirkung auf die Werkstücke pulsierend zugegeben wird (werden), dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) nach mehreren der sich jeweils aus einer Phase der pulsartigen Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas und einer darauf folgenden Phase ohne Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas zusammensetzenden Zyklen unterbrochen und erst nach Ablauf einer Pause, die um einen Faktor 10 bis 100 länger als ein Zyklus dauert, wieder aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit einem N-haltigen Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit zugeführte Stickstoffmenge für die Dauer der pulsierenden Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) erhöht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pausen mit zunehmender Dauer des Aufkohlungsvorganges verlängert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zyklen während des Einsatzhärtens konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre ausschließlich aus einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff und einem kohlenstoffhaltigen Gas oder mehreren kohlenstoffhaltigen Gasen, insbesondere Propan, gebildet wird.

Claims

1. A method of case-hardening metallic workpieces, in which the workpieces are subjected to the action of a carbonaceous gas mixture, to which one or more carbonaceous gas component(s) is(are) added in pulsating manner during the action on the workpieces,
characterised in
that the addition of the carbonaceous gas component(s) is interrupted after a plurality of cycles which in each case consist of a phase of the pulsating addition of carbonaceous gas and a subsequent phase without the addition of carbonaceous gas, and is only resumed after the expiry of a pause which lasts longer than a cycle by a factor of 10 to 100.

2. A method as claimed in Claim 1, comprising an N-containing gas mixture, characterised in that the amount of nitrogen added per unit of time, is increased for the duration of the pulsating addition of the carbonaceous gas component(s).

3. A method as claimed in one of Claims 1 to 3, characterised in that the pauses are extended with increasing duration of the carburizing process.

4. A method as claimed in one of Claims 1 to 4, characterised in that the duration of the cycles is kept constant during the case-hardening.

5. A method as claimed in one of Claims 1 to 5, characterised in that the gas atmosphere is formed exclusively from an inert gas, in particular nitrogen, and a carbonaceous gas or a plurality of carbonaceous gases, in particular, propane.

Revendications

1.- Procédé de cémentation de pièces métalliques, où les pièces sont soumises à l'action d'un mélange gazeux contenant du carbone, auquel sont ajoutés, de façon pulsée, un ou plusieurs composants gazeux contenant du carbone pendant l'action du mélange gazeux sur les pièces, caractérisé en ce que l'addition du ou des composants contenant du carbone est interrompue après plusieurs cycles se composant chacun d'une étape d'admission pulsée d'un gaz contenant du carbone et d'une étape suivante sans addition de gaz contenant du carbone et est à nouveau reprise après écoulement d'une pause qui a une durée multipliée par un factur compris entre 10 et 100 par rapport à celle d'un cycle.

2.- Procédé selon la revendication 1, faisant intervenir un mélange gazeux contenant de l'azote, caractérisé en ce que la quantité d'azote introduite par unité de temps est augmentée pendant la durée de l'admission pulsée du ou des composants gazeux contenant du carbone.

3.- Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pauses sont allongées en fonction de l'augmentation de la durée du processus de carburation.

4.- Procédé selon l'une des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que la durée des cycles est maintenue constante pendant la cémentation.

5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse est constituée exclusivement d'un gaz inerte, notamment de l'azote et d'un gaz contenant du carbone ou bien de plusieurs gas contenant du carbone notamment de propane.

Zeichnung